(57)【要約】 【課題】ハウジングの反りを抑えるとともに、タービンの性能向上を図ることを可能とするタービンおよびタービンの温度調整用冷却セルを提供することを目的とする。【解決手段】蒸気タービン１０の上部ハウジング１１Ｕに冷却セル２１を設け、この冷却セル２１によって形成される流路に、空気が流れることで、蒸気タービン１０の稼動停止後におけるハウジング１１の上下温度差を緩和し、自然対流によって生じるハウジングの上下の温度差による、ハウジングの反りを抑える構成とした。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
タービンの外殻をなすハウジングと、
前記ハウジング内に回転自在に設けられ、その周囲に翼列を備えた回転軸と、
前記ハウジングの上部に当該ハウジングの外周面に沿って設けられ、前記タービンの運転停止後に当該ハウジングの上部のみを冷却するための流体の通路となる冷却セルと、
を備えることを特徴とするタービン。
【請求項２】
前記冷却セルは、前記タービンの運転の停止後、自然対流によって生じる前記ハウジングの上下の温度差による、前記ハウジングの反りを抑えるためのものであることを特徴とする請求項１に記載のタービン。
【請求項３】
前記冷却セルは、自然対流に起因して発生する前記ハウジングの反りによる変形量が大きい箇所に配置されることを特徴とする請求項２に記載のタービン。
【請求項４】
前記冷却セルは、前記ハウジングの軸方向に間隔をあけて複数設けられていることを特徴とする請求項１に記載のタービン。
【請求項５】
前記冷却セルは、前記ハウジングの外周面に沿って設けられた第一冷却セルと、当該第一冷却セルの外周面側に積層された第二冷却セルとを備えることを特徴とする請求項１に記載のタービン。
【請求項６】
内部に回転軸が収容されたタービンのハウジングの上部において前記ハウジングの外周面に沿うように設けられ、前記ハウジングの上部のみを冷却する流体の通路を形成することを特徴とするタービンの温度調整用冷却セル。
【請求項７】
前記温度調整用冷却セルは、前記タービンの運転の停止後、自然対流によって生じる前記ハウジングの上下の温度差による、前記ハウジングの反りを抑えるためのものであることを特徴とする請求項６に記載のタービンの温度調整用冷却セル。
【請求項８】
内部に回転軸が収容されたタービンのハウジングの上部において前記ハウジングの外周面に沿うように設けられ、前記ハウジングの周方向両端部と前記ハウジングの上部中央部とに開口部が形成されていることを特徴とするタービンの温度調整用冷却セル。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、運転時に高温となる蒸気タービン等のタービン、およびタービンの温度調整用冷却セルに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、蒸気タービンは、ハウジングによって形成された車室内に回転軸が設けられ、この回転軸とハウジングとの間に、高圧タービン部、低圧タービン部等が形成された構成となっており、各タービン部に蒸気が送り込まれることで回転軸を回転駆動するようになっている。
図１１に示すように、この種の蒸気タービンの車室１を形成するハウジング２は、下部ハウジング３と上部ハウジング４を、それぞれに設けられたフランジ５、５をボルト締結することで構成されている。
これら下部ハウジング３と上部ハウジング４は、その外周面に断熱材６が設けられ、運転中における内部の熱の放散が抑えられるようになっている。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
ところで、上記構造の蒸気タービンでは、運転の停止後、自然対流によってハウジング２の上方側よりも下方側が先に冷えるため、ハウジング２の上下に温度差が生じ、上方に反ってしまうという現象が生じる。
従来は、高圧タービン部、低圧タービン部における回転軸７とハウジング２とのクリアランスがハウジング２の変形量に対して大きかったために、上記の現象は特に問題にはならなかったが、近年の蒸気タービンの性能の向上に伴い、回転軸７とハウジング２とのクリアランスは縮小する傾向にある。このため、蒸気タービンの運転を停止させた後に生じるハウジング２の変形によって、回転軸７とハウジング２側に設けられたラビリンスシール等のシール部とが接触してしまい、その結果、再運転時に不具合が生じることになる。
これに対応するには、この部分における接触を防ぐためにクリアランスを大きくせざるを得ず、その結果、蒸気タービンの性能向上に限度があるのが現状となっている。
【０００４】
このような問題を解決するために、ハウジング２の下方側にパネルヒータを設け、運転停止後に、先行して温度が低下するハウジング２の下方側をパネルヒータによって加熱する技術が考えられているが、この場合、設備が大掛かりとなってコストが嵩むという問題があった。
【０００５】
本発明は、このような技術的課題に基づいてなされたもので、ハウジングの反りを抑えるとともに、タービンの性能向上を図ることを可能とするタービンおよびタービンの温度調整用冷却セルを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
かかる目的のもと、本発明のタービンは、その外殻をなすハウジングと、ハウジング内に回転自在に設けられて周囲に翼列を備えた回転軸と、ハウジングの上部に、ハウジングの外周面に沿って設けられ、タービンの運転停止後に当該ハウジングの上部のみを冷却するための流体の通路となる冷却セルとを備えることを特徴とする。これにより、ハウジングは、その上部のみが冷却されることになる。
このような冷却セルは、タービンの運転の停止後、自然対流によって生じるハウジングの上下の温度差による、ハウジングの反りを抑えるためのものである。したがって、冷却セルは、自然対流に起因して発生するハウジングの反りによる変形量が大きい箇所に配置されるのが好ましい。
また、冷却セルは、ハウジングの軸方向に間隔をあけて複数設けても良い。
冷却セルは、ハウジングの外周面に沿って設けられた第一冷却セルと、当該第一冷却セルの外周面側に積層された第二冷却セルとを備える構成とすることもできる。
【０００７】
本発明は、タービンの温度調整用冷却セルとすることもでき、このタービンの温度調整用冷却セルは、内部に回転軸が収容されたタービンのハウジングの上部においてハウジングの外周面に沿うように設けられ、ハウジングの上部のみを冷却する流体の通路を形成することを特徴とすることができる。ここで、温度調整用冷却セルは、タービンの運転の停止後、自然対流によって生じるハウジングの上下の温度差による、ハウジングの反りを抑えるためのものである。
【０００８】
また、本発明は、内部に回転軸が収容されたタービンのハウジングの上部においてハウジングの外周面に沿うように設けられ、ハウジングの周方向両端部とハウジングの上部中央部とに開口部が形成されていることを特徴とするタービンの温度調整用冷却セルとすることもできる。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、蒸気タービンのハウジングの上部外周面に設けた冷却セルにより、ハウジングの上部を冷却する構成とした。これにより、蒸気タービンのハウジングの反りを抑えることができる。その結果、蒸気タービンの回転軸側とハウジング側のクリアランスの縮小化を図ることが可能となり、タービンの性能向上を図ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
以下、添付図面に示す実施の形態に基づいてこの発明を詳細に説明する。
図１は、本実施の形態における蒸気タービンの全体構成を説明するための図である。
この図１に示すように、蒸気タービン(タービン)１０は、その外殻をなすハウジング１１と、ハウジング１１の内方に形成された構造物１２に収められ、蒸気タービン１０による駆動力を取り出すため少なくともその一端がハウジング１１から突出した回転軸１３と、を備える。
回転軸１３は、ハウジング１１の両端側に設けられた支持部１４にて、その軸線回りに回転可能に支持されている。
回転軸１３には、その外周側に張り出す複数段の翼列１３ａが一体に形成されている。一方、ハウジング１１側には、その内周側に張り出し、互いに前後する回転軸１３の翼列１３ａ、１３ａ間に介在するラビリンスシール部１１ａが複数段に形成されている。
なお、回転軸１３の翼列１３ａの外径、およびハウジング１１によって形成される構造物１２の内径は、回転軸１３の一端側(図１において左側)から他端側(図１において右側)にいくに従い、徐々に小さくなる構成となっている。これに伴い、ハウジング１１の外径も、回転軸１３の一端側から他端側にいくに従い、徐々に小さくなっている。
【００１１】
さて、本実施の形態では、上記のような蒸気タービン１０には、ハウジング１１の上方側の複数箇所に、冷却システム２０の冷却セル（温度調整用冷却セル）２１が一体に取り付けられている。
図２は、冷却セル２１が設けられた部分におけるハウジング１１の斜視断面図である。なお、図２においては、ハウジング１１内の回転軸１３の図示を省略している。さらに、ハウジング１１を覆うように配設される断熱材２５の図示を省略している。
図２に示すように、ハウジング１１は、上部ハウジング１１Ｕと下部ハウジング１１Ｌとによって構成されている。上部ハウジング１１Ｕと下部ハウジング１１Ｌは、それぞれ略半円形の断面形状を有し、その両端部に側方に延びるフランジ部１１ｆが形成されている。そして、上部ハウジング１１Ｕのフランジ部１１ｆと、下部ハウジング１１Ｌのフランジ部１１ｆとを対向させた状態で、双方を貫通するボルト(図示無し)、およびこのボルト(図示無し)に装着したナット(図示無し)によって、上部ハウジング１１Ｕと下部ハウジング１１Ｌとが締結され、一体化している。
【００１２】
冷却セル２１は、上部ハウジング１１Ｕの外周面に沿って取り付けられている。この冷却セル２１は、断面視略逆Ｕ字状の材料の開口側を上部ハウジング１１Ｕの外周面に固定することによって、冷却セル２１によって囲われた冷却流路２２を形成するもので、この冷却セル２１の両側端部と、中央部の上面とに開口部２３、２４が形成されている。
また、この冷却セル２１の外周面には、断熱材２５が設けられ、冷却流路２２内の断熱を図る。
この冷却セル２１は、蒸気タービン１０の運転を停止したときに、自然対流に起因して発生するハウジング１１の反りによる変形量が大きい箇所に配置するのが好ましい。本実施の形態では、図１に示した３ヶ所に冷却セル２１が配置されている。
【００１３】
さて、図３は、上記したような冷却セル２１の上部ハウジング１１Ｕへの具体的な取付構造を示すものである。
この図３(ａ)に示すように、断面視略逆Ｕ字状をなした冷却セル２１には、断面方向において開口している両端部から、側方に延出するフランジ２１ｃが、冷却セル２１の長手方向に連続して形成されている。冷却セル２１は、このフランジ２１ｃにて、上部ハウジング１１Ｕの外周面にビス２６によって固定される。そして、フランジ２１ｃは、シール材２７によって覆われ、フランジ２１ｃと上部ハウジング１１Ｕの外周面との密閉性が高められている。
【００１４】
このとき、図３(ｂ)に示すように、冷却セル２１のフランジ２１ｃと上部ハウジング１１Ｕとの間に、例えば高温用のパッキン材料と同材質からなる断熱シート５０を介在させて設けることが好ましい。この断熱シート５０によって、上部ハウジング１１Ｕから冷却セル２１に対する熱伝導を低減できるので、蒸気タービン１０の運転停止後における冷却セル２１自体の温度上昇を抑制でき、これによって冷却セル２１内の雰囲気温度の上昇を抑えることができる。さらに、冷却セル２１自体の温度上昇を抑制することによって、上部ハウジング１１Ｕと冷却セル２１との間の輻射伝熱も促進できる。これらの作用によって、冷却セル２１による冷却性能が高まる。
【００１５】
このような冷却システム２０では、冷却セル２１に、開口部２３から大気が導入され、これによって上部ハウジング１１Ｕが冷却されるようになっている。
【００１６】
これにより、ハウジング１１の上下での温度差を抑えることができ、ハウジング１１の反りを抑制することができる。したがって、ハウジング１１の反りを考慮して設定される、回転軸１３とハウジング１１の内周面側に設けられるラビリンスシール部１１ａとのクリアランスを、冷却システム２０を採用しない場合に比較して大きく取る必要が無くなる。つまり、前記クリアランスを従来よりも小さく設定することが可能となるのである。
これにより、回転軸１３側とハウジング１１側の間におけるシール性能を大幅に向上させて蒸気タービン１０の性能を高めることができる。例えば、本実施の形態における冷却システム２０の採用によって上記クリアランスを小さく改善した場合、ある蒸気タービン１０において、効率を０．２％程度向上させることができる。
【００１７】
また、冷却セル２１も、非常に簡易な構造であるので、この点においても低コストで良好な冷却効果を得ることができる。
【００１８】
(冷却セル２１の他の例)
以下に、冷却セル２１の他の例を示す。なお、以下に示す例において、上記に説明したものと共通する構成については同符号を付し、その説明を省略することとする。
例えば、図４(ａ)に示すように、冷却セル２１のフランジ２１ｃと、上部ハウジング１１Ｕとの間に断熱部材５１を介在させることもできる。この断熱部材５１は、断面視ロ字状で、その両端部が閉塞されて内部空間５１ａが略真空にひかれている。このような断熱部材５１を用いる場合、冷却セル２１のフランジ２１ｃと断熱部材５１は、押さえ部材５２およびビス２６によって、上部ハウジング１１Ｕに固定される。
【００１９】
また、図４(ｂ)に示すように、冷却セル２１のフランジ２１ｃ’の部分を断面視略ロ字状とし、その内部空間５３を略真空にひいた構成とすることもできる。この場合も、冷却セル２１のフランジ２１ｃ’は、押さえ部材５２およびビス２６によって上部ハウジング１１Ｕに固定される。
これら略真空の内部空間５１ａ、５３を介在させることにより、この部分で自然対流による熱伝達がほとんど発生しないので、それだけ断熱効率を高くすることができる。
【００２０】
また、図５に示すように、冷却セル２１を、断面視略逆Ｕ字状ではなく、断面視略ロ字状のチューブ状とし、これを上部ハウジング１１Ｕの外周面に密着固定することもできる。この場合も、冷却セル２１と上部ハウジング１１Ｕとの間に、図４(ａ)に示したような断熱部材５１を介在させることも有効である。
【００２１】
さらに、図６に示すように、上部ハウジング１１Ｕに、外周側に突出し、ハウジング１１の周方向に連続する一対の突条４１、４１を形成し、これら突条４１の先端部にプレート４２を固定し、これによって冷却セル２１を構成することもできる。この場合、上部ハウジング１１Ｕの外周面、一対の突条４１、４１、プレート４２によって囲まれる部分が冷却流路２２とされる。この場合も、突条４１、４１の先端部とプレート４２との間に、図４(ａ)に示したような断熱部材５１を介在させることもできる。
【００２２】
［他の実施の形態］
図７は、冷却セル２１を二重構造とする場合の例である。
図７に示すように、冷却セル２１は、第一冷却セル７０と、第二冷却セル７１とをハウジング１１の径方向に積層した構成となっている。
第一冷却セル７０は、図３に示した冷却セル２１と同様、断面視略逆Ｕ字状であり、その開口端側のフランジ部７０ａにて、ビス２６によって上部ハウジング１１Ｕの外周面に固定されている。また、第一冷却セル７０のフランジ部７０ａと上部ハウジング１１Ｕとの間には、図４(ａ)に示したような断熱部材５１を介在させてもよい。
一方、第二冷却セル７１は、断面視略ロ字状のチューブ材からなり、第一冷却セル７０の外周面側に積層されている。
【００２３】
このような冷却セル２１では、空気が第一冷却セル７０内を通過することで、上部ハウジング１１Ｕの外周面と空気の間で熱交換が行われ、上部ハウジング１１Ｕが冷却されることになる。さらに、上部ハウジング１１Ｕとの熱交換によって温度が上昇した第一冷却セル７０に第二冷却セル７１が接しているので、第一冷却セル７０の熱は第二冷却セル７１に伝わる。そして、この熱は、第二冷却セル７１内を通る空気によって奪われ、冷却セル２１外へと排出される。これによって、第一冷却セル７０の第二冷却セル７１側の壁面の温度を下げることができ、同時に上部ハウジング１１Ｕから第一冷却セル７０の壁面へ向かう輻射電熱も促進でき、これらの作用によって第一冷却セル７０による冷却性能が一層向上する。
ここで、冷却セル２１として、第一冷却セル７０と第二冷却セル７１を２段に積層する構成を示したが、３段以上に積層することもできる。
【００２４】
また、このように積層構造を採用する冷却セル２１においても、図８〜図９に示すような変形例が考えられる。
例えば、図８(ａ)に示すように、第一冷却セル７０、第二冷却セル７１の双方を断面視略ロ字状とし、これらを積層して冷却セル２１を構成することもできる。この場合、第一冷却セル７０、第二冷却セル７１は、押さえ部材７９およびビス２６によって上部ハウジング１１Ｕに固定される。
また、図８(ｂ)に示すように、第一冷却セル７０を断面視略ロ字状とし、これに積層する第二冷却セル７１を断面視略逆Ｕ字状とすることもできる。この場合、第一冷却セル７０と第二冷却セル７１の継ぎ目にはシール材２７を塗布し、第二冷却セル７１内の気密を保つ。この場合も、第一冷却セル７０、第二冷却セル７１は、押さえ部材７９およびビス２６によって上部ハウジング１１Ｕに固定される。
さらに、図８(ｃ)に示すように、断面視略逆Ｕ字状の第一冷却セル７０に、同じく断面視略Ｕ字状の第二冷却セル７１を積層する構成とすることもできる。この場合、第二冷却セル７１の開口端側の両端部が第一冷却セル７０の外側面に当接するようにし、双方をビス２６で連結するのが好ましい。
【００２５】
この他、図９(ａ)に示すように、上部ハウジング１１Ｕに、外周側に突出し、ハウジング１１の周方向に連続する一対の突条４１、４１を形成し、これら突条４１、４１の先端部断面視ロ字状の第二冷却セル７１を積層する構成とすることもできる。この場合、上部ハウジング１１Ｕの外周面、一対の突条４１、４１、第二冷却セル７１によって囲まれる部分が第一冷却セル７０とされる。この場合も、突条４１、４１の先端部と第二冷却セル７１との継ぎ目に、シール材２７を塗布するのが好ましい。
また、図９(ｂ)に示すように、突条４１、４１の先端部に段部４１ａ、４１ａを形成し、ここに第二冷却セル７１を積層し、突条４１の外側からビス２６によって突条４１と第二冷却セル７１を連結してもよい。この場合も、突条４１と第二冷却セル７１との継ぎ目にシール材２７を塗布するのが好ましい。このような構成とすれば、第二冷却セル７１の位置決めが容易となり、冷却セル２１の設置の効率化が図れ、また保守や点検の際の作業性も向上する。
【００２６】
図１０(ａ)〜(ｄ)に示す例では、冷却セル２１内を通る冷却用の空気に乱流を生じさせる構成となっている。
図１０(ａ)では、上部ハウジング１１Ｕの外周面の、冷却セル２１内の冷却流路２２に臨む位置に、多数のディンプル(乱流促進部)９１が形成されている。このディンプル９１によって、冷却セル２１内を流れる空気の流れに乱流が生じることで、空気と上部ハウジング１１Ｕとの間での熱伝達率が高められる。なお、ディンプル９１の形状はいかなる形状であっても良い。
図１０(ｂ)、(ｃ)では、冷却セル２１内において、上部ハウジング１１Ｕの外周面に、冷却セル２１が連続する方向に所定間隔毎に乱流促進板(乱流促進部)９２を設ける。この乱流促進板９２は、所定の高さｅを有しており、冷却セル２１が連続する方向に直交する方向、つまり冷却セル２１の幅方向に延在するよう設けられている。ここで、冷却セル２１が連続する方向において互いに前後する２枚の乱流促進板９２の間隔Ｐは、Ｐ／ｅ＝１０程度となるように設定するのが好ましい。このような乱流促進板９２を冷却セル２１内に配置することで、冷却セル２１内を流れる空気の流れに上部ハウジング１１Ｕの外周面に沿う側で乱流が生じ、空気と上部ハウジング１１Ｕとの間での熱伝達率が高められる。
図１０(ｄ)では、冷却セル２１内に、冷却セル２１の上面と上部ハウジング１１Ｕの外周面とを結ぶ方向に延在する乱流促進ピン(乱流促進部)９３を多数設けている。このような乱流促進ピン９３によっても、冷却セル２１内を流れる空気の流れに乱流が生じ、空気と上部ハウジング１１Ｕとの間での熱伝達率が高められる。
このようにして、冷却セル２１内において、空気と上部ハウジング１１Ｕとの間の熱伝達効率を高めることで、より効率の良い冷却が行え、冷却に要する空気の量を減少させること等が可能となる。
【００２７】
なお、上記に示した実施の形態では、冷却セル２１の例として、様々なものを例示したが、上記したものに限らず、さらに他の構成を採用することも可能である。もちろん、冷却セル２１の断面形状や設置位置、設置数等は、所望の効果が得られるよう、適宜設定すれば良い。
また、上記実施の形態では、タービンの一例として蒸気タービン１０を例に挙げたが、ガスタービンや軸流式の空気圧縮機等、その他のタービンを備える機械にも同様の構成が適用できるのは言うまでも無い。
これ以外にも、本発明の主旨を逸脱しない限り、上記実施の形態で挙げた構成を取捨選択したり、適宜組み合わせたり、他の構成に変更すること等が可能である。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１】本実施の形態におけるタービンの全体構成を示す図である。
【図２】タービンのハウジングに備えた冷却セルを示す斜視断面図である。
【図３】冷却セルの具体的な構造の例を示す図である。
【図４】冷却セルの他の例を示す図である。
【図５】冷却セルのさらに他の例を示す図である。
【図６】冷却セルのさらに他の例を示す図である。
【図７】冷却セルの他の実施の形態であり、積層構造とした冷却セルの例を示す図である。
【図８】積層構造の冷却セルの他の例を示す図である。
【図９】積層構造の冷却セルのさらに他の例を示す図である。
【図１０】乱流を促進させる方式の冷却セルを示す図であって、(ａ)はディンプルを設けた例、(ｂ)は乱流促進板を設けた例、(ｃ)は(ｂ)の側断面図、(ｄ)は乱流促進ピンを設けた例である。
【図１１】従来のタービンの構成を示す図である。
【符号の説明】
【００２９】
１０…蒸気タービン(タービン)、１１…ハウジング、１１Ｕ…上部ハウジング、１２…構造物、１３…回転軸、２１…冷却セル（温度調整用冷却セル）、９１…ディンプル(乱流促進部)、９２…乱流促進板(乱流促進部)、９３…乱流促進ピン(乱流促進部)
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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